多機場耦合運行的塔臺管制區(qū)劃設方法研究

王笑天,徐 晨,劉 博

(民航中南空中交通管理局 廣州510000)

0 引言

隨著社會經濟的不斷發(fā)展,運輸機場的不斷開發(fā),新改擴建支線機場的不斷增多,我國機場客運量和貨運量不斷增長。為避免機場間管制范圍和責任重疊,科學合理地進行塔臺管制區(qū)的劃設對保障空域安全高效運行極為重要。

目前關于管制區(qū)劃設的研究主要聚焦于空域扇區(qū)的優(yōu)化和大型機場終端管制區(qū)的劃設方面。Yousefi等[1]將研究空域分割,以管制員工作負荷的平衡優(yōu)化為目標,得到空域的優(yōu)化方案。Brinton等[2]基于航班軌跡的統計特征,以降低空中交通復雜度為目標,利用最優(yōu)劃分法求解最佳劃設方案。Tobias等[3]提出了一種譜聚類算法進行空域扇區(qū)的優(yōu)化。Flener和Pearson[4]總結了扇區(qū)劃分的原則、影響因素和劃設標準,提出了扇區(qū)自動劃設的概念。俞文軍等[5]從交通流量預測的角度,對上海終端區(qū)進行了扇區(qū)劃分。羅軍等[6]在利用粒子群優(yōu)化算法對某個航路點負荷進行評估的基礎上,研究了終端區(qū)扇區(qū)的優(yōu)化問題。胡青云[7]對珠海進近管制區(qū)進行了Voronoi剖分,以進行扇區(qū)劃分研究。

截至目前,較少有學者研究支線機場集中區(qū)域的塔臺管制區(qū)優(yōu)化問題。本文借鑒管制扇區(qū)劃設的研究分析工作,結合飛行程序設計、空域規(guī)劃及管制運行的實際經驗,總結支線機場集中區(qū)域塔臺管制區(qū)劃設的基本原則和方法。以新建的湘西邊城機場塔臺管制區(qū)劃設為例,結合湘西邊城機場周邊空域環(huán)境及其進離場飛行程序,制定湘西邊城機場塔臺管制區(qū)劃設方案及周邊銅仁鳳凰、懷化芷江機場塔臺管制區(qū)調整方案。針對前述新的塔臺管制區(qū)劃設和調整方案,進行通信及監(jiān)視能力覆蓋分析,以期為支線機場塔臺管制區(qū)統籌劃設提供參考。

1 多機場耦合運行分析

近年來,為促進當地經濟的發(fā)展,一些中小城市大力支持機場建設。這些機場大多都屬于支線機場,即年旅客運輸小于或者等于300萬人次的機場,主要供1 000～1 500 km范圍內的短程飛機起降[8]。在空域運行上,設置機場塔臺管制區(qū)既可為民用支線機場提供空中交通管制服務,也可承擔塔臺管制與進近管制兩方面的管制運行工作。

隨著新建機場得的增多,某些區(qū)域內的機場分布又相對集中,在一定區(qū)域內存在多個機場、多條進離場航線耦合運行的復雜情況,增大了塔臺管制調配的難度和安全運行的風險?；诙鄼C場耦合運行實際情況進行統籌考慮塔臺管制范圍的劃設,可避免相鄰塔臺管制區(qū)之間存在重疊區(qū)域而導致管制責任界定不清的問題。本文從明確管制責任、降低運行風險和合理利用空域資源的角度出發(fā),對分布相對集中的多機場塔臺管制區(qū)的劃設進行分析。

2 多機場區(qū)域的空域概況

多機場區(qū)域內管制運行受到空間資源和進離場交通流運行沖突等因素的制約[9],因此在劃設塔臺管制區(qū)時應當充分考慮該區(qū)域內的空域情況。以新建的湘西邊城機場和周邊的銅仁鳳凰機場、懷化芷江機場形成的多機場區(qū)域為例,對各個機場的空域結構的水平/垂直范圍和協同運行模式進行分析。

湘西邊城機場與銅仁鳳凰機場、懷化芷江機場距離較近。銅仁鳳凰機場位于湘西邊城機場真方位為197°,直線距離為71 km。懷化芷江機場位于湘西邊城機場真方位為171°,直線距離為118 km。懷化芷江機場位于銅仁鳳凰機場真方位為141°,直線距離為62 km。三個機場相對位置關系如圖1所示。

圖1 三個機場的相對位置關系圖

劃設塔臺管制區(qū)需要確定其水平范圍和垂直范圍。民用支線機場通常以本場臺為圓心、半徑55 km范圍為其塔臺管制區(qū)的水平范圍,依據機場進離場航線結構和管制運行等因素確定其垂直范圍?，F行銅仁鳳凰機場與懷化芷江機場公布的塔臺管制區(qū)水平范圍均是采用上述方式劃定的圓形區(qū)域,銅仁鳳凰機場塔臺管制區(qū)的垂直范圍為標準氣壓高度4 200 m(含)以下,懷化芷江機場塔臺管制區(qū)的垂直范圍為標準氣壓高度3 900 m(含)以下。三個機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖2所示。銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍局部放大如圖3所示。

圖2 三個機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

圖3 銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍局部放大圖

若湘西邊城機場的仍以湘西VOR/DME臺為圓心,劃定半徑55 km圓形區(qū)域為其塔臺管制區(qū)水平范圍,與現行銅仁機場和芷江機場的塔臺管制區(qū)水平范圍有部分重疊,航空器在重疊區(qū)內運行時管制責任界定不清,存在運行風險?！睹裼煤娇湛罩薪煌ü芾硪?guī)則》[10]要求在任何時間內,對航空器的空中交通管制服務只由一個管制單位承擔,為明確管制責任,消除運行風險,保證航行情報資料的嚴謹性和規(guī)范性,需要統籌研究湘西邊城、銅仁鳳凰和懷化芷江三個機場塔臺管制區(qū)的劃設調整方案。

3 多機場塔臺管制區(qū)劃設方案

3.1 塔臺管制區(qū)劃設的基本原則

結合飛行程序設計、空域規(guī)劃及管制實際運行經驗,塔臺管制區(qū)的劃設應遵循以下基本原則:

(1)塔臺管制區(qū)的水平范圍應盡量涵蓋機場的進離場飛行程序;

(2)當塔臺管制區(qū)的水平范圍與周邊機場塔臺管制區(qū)的水平范圍重疊時,至少應涵蓋機場所有的起始進近航段;

(3)塔臺管制區(qū)的垂直范圍應考慮進離場飛行程序的高距比;

(4)塔臺管制區(qū)的劃設應充分考慮管制調配的需求,盡量減少不同管制單位之間的相互移交。

3.2 塔臺管制區(qū)劃設調整方法

根據湘西邊城、銅仁鳳凰和懷化芷江三個機場進離場航線走向及交通流占比情況,制定湘西邊城機場塔臺管制區(qū)劃設方案及銅仁、懷化機場塔臺管制區(qū)調整方案,三個機場塔臺管制區(qū)垂直高度設計上按照“中間高兩邊低”的布局,盡可能減少不同管制單位之間的相互移交。根據上述原則和思路,優(yōu)化調整后的塔臺管制區(qū)劃設方案如圖4所示。

3.2.1 湘西機場塔臺管制區(qū)劃設方案

劃設方案遵循上述“便于管制調配、避免塔臺管制區(qū)重合和覆蓋機場進離場飛行程序”的原則。湘西機場半徑為55 km范圍的西北側與西南空管局重慶區(qū)調的水平范圍部分重合,管制移交程序較為復雜,管制界限不清。由圖4可知,湘西機場進離場程序集中在西南側與東北側,西北側無進離場程序,故用B1-B2對西北側空域進行切分,以減少管制移交程序,降低管制復雜性,同時也完全覆蓋了湘西機場的進離場程序。B1點為半徑55 km圓弧與W102航線的交點,B2點為半徑55 km圓弧與A581航路的交點。另外,湘西機場半徑為55 km范圍的南側與銅仁機場半徑為55 km范圍的北側存在重合區(qū)域,根據至少涵蓋機場所有起始進近航段的原則,找到湘西機場所有進近程序最南側的兩個起始進近定位點,即P4點與P5點作為分界點,A1、A2點分別為P4、P5點連線的延長線與湘西機場半徑為55 km圓弧的交點。

湘西機場塔臺管制區(qū)的水平范圍為:A1-P5-P4-A2-以湘西VOR/DME為圓心,半徑為55 km的圓弧-B1-B2-A1連線范圍內;垂直范圍為標準氣壓高度3 600 m(含)以下。湘西機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖5所示。

圖5 湘西機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

3.2.2 懷化機場塔臺管制區(qū)調整方案

懷化機場半徑為55 km圓弧的北側與銅仁機場半徑為55 km圓弧的南側存在部分重合,考慮到懷化機場北側只有沿W102的進離場航線,而銅仁機場南側進離場航線較多,故將該部分空域主要劃分給銅仁機場,以方便其進行管制調配?？梢訟3-A4-A5進行懷化機場與銅仁機場塔臺管制區(qū)的切分,其中A4點是懷化機場PBN進場程序的等待點CJ507,A3點是A4與懷化機場東側離場點P167的連線延長線與懷化機場半徑為55 km圓弧的交點,A5點是懷化機場半徑為55 km圓弧與H24航路的交點。

懷化機場塔臺管制區(qū)水平范圍為:A3-A4-A5-以芷江VOR/DME為圓心,半徑為55 km的圓弧-A3連線范圍內;垂直范圍為標準氣壓高度3 600 m(含)以下。懷化機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖6所示。

圖6 懷化機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

3.2.3 銅仁機場塔臺管制區(qū)調整方案

銅仁機場塔臺管制區(qū)東側范圍利用A2-B3界定,B3點是銅仁機場半徑為55 km圓弧與上述懷化機場塔臺管制區(qū)北側邊界的交點。銅仁機場塔臺管制區(qū)西側范圍利用A1-A6-A5界定,A6點是銅仁機場半徑為55 km圓弧與W586航線的交點。

銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍為:A1-P5-P4-A2-B3-A4-A5-A6-A1連線范圍內;垂直范圍為標準氣壓高度4 200 m(含)以下。銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍如圖7所示。

圖7 銅仁機場塔臺管制區(qū)水平范圍示意圖

4 通信及監(jiān)視能力覆蓋分析

塔臺管制區(qū)垂直范圍的確定需考慮相關區(qū)域管制單位的通信監(jiān)視能力。根據標準氣壓高度3 600 m(含)以上高度范圍的通信及監(jiān)視設備的覆蓋能力,劃定湘西邊城、銅仁鳳凰、懷化芷江三個機場塔臺管制區(qū)的垂直范圍。

4.1 甚高頻信號覆蓋分析

湘西邊城、銅仁鳳凰和懷化芷江三個機場周圍有張家界甚高頻臺和銅仁甚高頻臺,可為其提供甚高頻通信信號。對上述三個機場進行甚高頻信號覆蓋評估分析,以上擬劃設及擬調整的塔臺管制區(qū)范圍均能滿足張家界和銅仁雷達站標準氣壓高度3 600 m高度的甚高頻信號覆蓋要求。標準氣壓高度3 600 m高度甚高頻信號覆蓋分析如圖8所示。

圖8 標準氣壓高度3 600 m高度甚高頻信號覆蓋分析示意圖

4.2 雷達信號覆蓋分析

經對以上三個機場周邊張家界和銅仁雷達站的雷達信號覆蓋評估分析,以上擬劃設及擬調整的塔臺管制區(qū)范圍均能滿足張家界和銅仁雷達站標準氣壓高度3 600 m高度的信號覆蓋要求。標準氣壓高度3 600 m高度雷達信號覆蓋分析如圖9所示。

圖9 標準氣壓高度3 600 m高度雷達信號覆蓋分析示意圖

5 結論

(1)分析了多機場耦合運行的技術問題,包括管制調配難度、空域資源不合理利用及安全風險增加等,提出塔臺管制區(qū)劃設的基本原則,水平范圍應盡量涵蓋機場的進離場飛行程序(至少應涵蓋機場所有的起始進近航段),垂直范圍應考慮進離場飛行程序的高距比,以及充分考慮管制調配的需求,盡量減少不同管制單位之間的相互移交。

(2)提出塔臺管制區(qū)劃設的具體方法步驟,并以新建湘西邊城機場、銅仁鳳凰機場和懷化芷江機場形成的典型支線機場耦合運行模式下的塔臺管制區(qū)劃設為例,描述多機場區(qū)域內塔臺管制區(qū)的劃設調整方案,并利用甚高頻通信及雷達監(jiān)視信號的覆蓋能力分析驗證了管制區(qū)劃設的可行性。

(3)從靜態(tài)空域結構上明確了不同塔臺管制單位的責任,在運行上可結合實際需求簽訂相關管制運行協議,明確管制責任的移交。

(4)由于在相鄰機場塔臺管制區(qū)內運行的航空器所采用的修正海平面氣壓有所差異,建議穿越相鄰塔臺管制區(qū)小于水平間隔的航空器之間的垂直間隔應保持在600 m(含)以上,如飛行程序高度或管制指揮引導高度應相差600 m(含)以上。

(5)目前直線機場大多實施程序管制,運行上存在諸多限制,未來隨著各機場航班流量的進一步增長,建議統一規(guī)劃,統一標準、統一指揮,滿足未來多機場同時運行的需求。